空はなぜ青く、夕焼けはなぜ赤い？

見上げれば、そこにはいつも青い空があります。あまりに当たり前すぎて、なぜ青いのかを改めて考えることは少ないかもしれません。けれども、空気そのものは透明ですし、宇宙空間は真っ黒です。しかも同じ空が、夕方になると燃えるような赤や橙に染まります。

空の色の謎を解く鍵は、太陽の光と、空気をつくっている小さな分子との関係にあります。

白い光の中に、すべての色がある

太陽の光は白っぽく見えますが、実際には赤から紫まで、さまざまな色の光が混ざり合っています。光は波の性質をもっていて、色の違いは波長の違いです。青や紫の光は波長が短く、赤い光は波長が長いのです。

太陽の光が地球の大気に入ると、空気中の窒素や酸素の分子にぶつかり、四方八方へと散らされます。これを「散乱」といいます。分子は光の波長よりはるかに小さいため、このとき独特の性質が現れます。波長の短い光ほど、ずっと強く散乱されるのです。

19世紀後半、イギリスの物理学者レイリー卿は、この散乱の強さが波長の4乗に反比例することを理論的に示しました。この「レイリー散乱」によれば、波長が約450ナノメートルの青い光は、約700ナノメートルの赤い光に比べて、5倍以上も強く散らされます。空のあらゆる方向から、散らされた青い光が目に届く。だから空全体が青く見えるのです。

紫色の空にならないわけ

ここでひとつ疑問がわきます。波長が短いほど強く散乱されるなら、青よりさらに波長の短い紫の光のほうが、もっと強く散らされるはずです。それなのに、空はなぜ紫色に見えないのでしょうか。

理由はいくつかあります。まず、太陽の光には、もともと紫の光が青ほど多く含まれていません。その一部は、大気の上のほうで吸収されてもしまいます。さらに大きいのが、私たちの目の仕組みです。人間の目は、紫の光に対する感度があまり高くありません。散乱された紫や青、緑の光が混ざり合ったものを、私たちの目と脳は「空色」として受け取っているのです。

夕焼けが赤いのは、光の長旅のせい

昼間、太陽が高い位置にあるとき、光が大気を通り抜ける距離は比較的短くて済みます。ところが日の出や日の入りのころ、太陽の光は地平線すれすれに、大気の中を斜めに長い距離進んでこなければなりません。その道のりは、真上から届く場合の数十倍にもなります。

長い道のりの途中で、散乱されやすい青い光は、ほとんどが横へ散らされてしまいます。最後まで残って目に届くのは、散乱されにくい赤や橙の光です。そのため、夕日やそのまわりの空は赤く染まるのです。途中で散らされた青い光は、消えてしまったわけではありません。光の通り道にあたる、まだ日の高い地域の空を青く染めています。

雲が白く見えるのも、散乱の仕組みで説明できます。雲をつくる水滴は空気の分子よりはるかに大きいため、色によって散乱の強さがあまり変わりません。すべての色が同じように散らされる結果、雲は白く見えるのです。

火星の夕焼けは青い

空の色は、大気の中身しだいで変わります。そのことを鮮やかに教えてくれるのが、火星です。

火星の大気は、地表での気圧が地球の1%にも満たないほど薄く、その中に細かな赤茶色のちりが漂っています。そのため火星の昼の空は、黄土色にたとえられる、くすんだ色をしています。ところが夕方になると、沈む太陽のまわりだけが、ぼんやりと青白く光ります。火星のちりの粒は、青い光を光の進む方向へ散らしやすい性質をもつため、太陽の方向を見ると青い光が集まって見えるのだと考えられています。

一方、大気がほとんどない月には、光を散乱するものがありません。そのため月面では、太陽が照りつける昼間でも、空は真っ黒です。